blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-12-960-965blackmet-1209Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ ПРИ БАРБОТАЖЕ ГАЗОМ-ВОССТАНОВИТЕЛЕМ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ОКСИДНОГО РАСПЛАВА СООБЩЕНИЕ 3. РАЗДЕЛЕНИЕ ФЕРРОНИКЕЛЯ И ОКСИДНОГО РАСПЛАВАMETALLIC PHASE FORMING IN BARBOTAGE OF MULTICOMPONENT OXIDE MELT BY REDUCTION GAS REPORT 3. FERRONICKEL AND OXIDE MELT SEPARATIONВусихисА. С.VusikhisA. S.

620016, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

vas58@mail.ruЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

119991, Россия, Москва, Ленинский пр., 32а

119334, Россия, Москва, Ленинский пр., 49

119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4

Department of Chemistry and Material Sciences

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician, Adviser of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher 

leo@imet.mplik.ruЧенцовВ. П.ChentsovV. P.

620016, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

vpc44@mail.ruКудиновД. З.KudinovD. Z.

620016, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

d.kudinov@mail.ruСеливановЕ. Н.SelivanovE. N.

620016, ул. Амундсена, 101

Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals

pcmlab@mail.ruИнститут металлургии УрО РАН, ЕкатеринбургРоссияInstitute of Metallurgy UB RAS, EkaterinburgRussian FederationПрезидиум РАН, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияScientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Academy of Sciences, Moscow, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Moscow, National University of Science and Technology “MISIS” (MISIS), MoscowRussian Federation2017281220176012960965Copyright © Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Ченцов В.П., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н., 20172017Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Ченцов В.П., Кудинов Д.З., Селиванов Е.Н.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Chentsov V.P., Kudinov D.Z., Selivanov E.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1209

Используя уравнения физико-химической гидродинамики и полученные ранее в результате измерений данные о поверхностных и межфазных свойствах металлических и оксидных расплавов, описаны условия формирования металлической фазы при барботаже расплава окисленной никелевой руды монооксидом углерода. Определены критические размеры газового пузыря Rп.кр и металлической капли rк.кр , движущихся в оксидном расплаве без дробления в температурном интервале от 1550 до 1750 °С. Обнаружено, что с температурой значения Rп.кр меняются незначительно и возрастают с 6,35·10–2 м (при 1550  °С) до 6,58·10–2 м (при 1750 °С), параметр rк.кр зависит от состава капли и температуры и меняется от 2,1·10–3 до 2,9·10–3 м. Определены размеры капель металла, образующихся на единичном пузыре при восстановлении никеля и железа из оксидного расплава. По мере уменьшения содержания оксидов никеля и железа в расплаве с увеличением общего расхода СО происходит снижение содержания никеля в каплях ферроникеля с 89 до 18 %, а их диаметры уменьшаются с 1,4·10–3 до 8,0·10–4 м. При этом масса капли снижается с 9,4·10–5 до 1,6·10–5 кг. Выявлены условия всплывания системы газовый пузырь – капля металла от их размеров. Во всех интервалах температуры и содержания никеля система пузырь СО – капля металла начинает подниматься в оксидном расплаве при соотношении rк /Rп менее 0,68 – 0,78. Для оценки стабильности системы пузырь СО – капля металла при вышеуказанных размерах пузыря и капли проведены расчеты параметров, определяющих их совместное движение. Показано, что отрыв капли металла от пузыря не возможен при условиях реализации процесса в пирометаллургических агрегатах. Описан процесс формирования металлической фазы в результате барботажного восстановления никеля и железа монооксидом углерода, который заключается в следующем. Взаимодействие оксидного расплава с газом сопровождается формированием капель металла, которые, закрепляясь на пузырях, двигаются к поверхности оксидного расплава. Первоначально формируется металл с содержанием 80 – 90 % Ni, а по мере уменьшения доли никеля в оксидном расплаве его содержание в каплях металла снижается до 20 %. На поверхности оксидного расплава капли металла сливаются и при достижении размера более 5·10–3 м они «прорывают» поверхность и опускаются на дно. В случае столкновения капли с поднимающимися навстречу системами пузырь – капля они могут как слиться с ними, так и обтекать их. При слиянии мелкие капли будут ассимилированы и подняты на поверхность. Сила отрыва капли от пузыря существенно превышает силу тяжести капель, поэтому система пузырь – капля металла стабильна при всех рассмотренных соотношениях их размеров. 

Using the equations of physico-chemical hydrodynamics and the data obtained earlier on the surface and interfacial properties of metallic and oxide melts, conditions for the formation of the metallic phase during bubbling of the oxidized nickel ore melt by carbon monoxide are described. Critical dimensions of the gas bubble (Rb ) cr and the metal droplet (rd)cr are determined, moving in the oxide melt without crushing in the temperature range from 1550 to 1750 °C. It was found that the value of (Rb)cr varies with temperature and increases from 6.35·10–2  m (1550 °C) to 6.58·10–2  m (1750  °C), (rd ) cr depends on composition of the droplet and temperature and varies from 2.1·10–3  m to 2.9·10–3  m. The size of metal droplets formed on a single bubble is determined upon reduction of nickel and iron from the oxide melt. As the content of nickel and iron oxides decreases in the melt with an increase in the total CO flow rate, nickel content in ferronickel drops decreases from 89 to 18  %, and their diameters decrease from 1.4·10–3  m to 8.0·10–4  m. In this case, mass of the drop decreases from 9.4·10–5 to 1.6·10–5  kg. The conditions for emergence of the “gas bubble – a drop of metal” system from their dimensions are revealed. In all intervals of temperature and nickel content, the “bubble CO  – a  drop of metal” system begins to rise in the oxide melt at a ratio rk  / Rn of less than 0.68  –  0.78. To assess the stability of the “bubble CO  – drop of metal” system at the above bubble and droplet sizes, calculations of the parameters determining their joint motion were carried out. It is shown that the separation of a drop of metal from a bubble is not possible under the conditions of the process in pyrometallurgical aggregates. The process of metal phase formation as a result of barbotage reduction of nickel and iron by carbon monoxide is described, which consists in the following. The interaction of the oxide melt with the gas is accompanied by formation of metal droplets, which are fixed to the bubbles moving to the surface of the oxide melt. Initially, a metal with content of 80  –  90  % Ni is formed, and as the proportion of nickel in the oxide melt decreases, its content in the metal drops is reduced to 20  %. On the surface of the oxide melt, the metal droplets merge, when they reach a size of more than 5·10–3  m, they “break through” the surface and descend to the bottom. In the case of a collision of a drop with the “bubble-drop” systems approaching them, they can how to merge with them, and flow around them. At the confluence, small drops will be assimilated and raised to the surface. The force of separation of the droplet from the bubble is substantially greater than the gravity of the droplets, so the bubble-drop system of the metal is stable for all considered ratios of their sizes. 

металлическая фазаоксидный расплавгаз-восстановительбарботажгазовый пузырькапля металлаусловия всплываниякоалесценциякритические размерыповерхностные свойствамежфазное натяжениерасслаиваниекоагуляцияmetallic phaseoxide meltreduction gasbubbling processbarbotagegas bubblemetal dropseparationsurface propertiescoalescencecritical dimensionsinterfacial tensioncarbon monoxideliquationcoagulationReferencesВусихис А.С., Ченцов В.П., Кудинов Д.З., Леонтьев Л.И., Селиванов Е.Н. Формирование металлической фазы при барботаже газом-восстановителем многокомпонентного оксидного расплава. Сообщение 1. Теоретические основы процесса // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. № 9. С. 639 – 644.Vusikhis A.S., Chentsov V.P., Kudinov D.Z., Leont’ev L.I., Selivanov E.N. Metallic phase forming in barbotage of multicomponent oxide melt by reduction gas. Report 1. Theoretical basis of the process. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, no. 9, pp. 639–644. (In Russ.).Вусихис А.С., Ченцов В.П., Кудинов Д.З., Леонтьев Л.И., Селиванов Е.Н. Формирование металлической фазы при барботаже газом-восстановителем многокомпонентного оксидного расплава. Сообщение 2. Плотность и поверхностные свойства // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. № 1. С. 48 – 54.Vusikhis A.S., Chentsov V.P., Kudinov D.Z., Leont’ev L.I., Selivanov E.N. Metallic phase forming in barbotage of multicomponent oxide melt by reduction gas. Report 2. Density and surface properties. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, no. 1, pp. 48–54. (In Russ.).Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Шлаки и штейны цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1969. – 408 с.Vanyukov A.V., Zaitsev V.Ya. Shlaki i shteiny tsvetnoi metallurgii [Slags and mattes of non-ferrous metallurgy]. Moscow: Metallurgiya, 1969, 408 p. (In Russ.).Шмонин Ю.Б. Пирометаллургическое обеднение шлаков цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1981. – 132 с.Shmonin Yu.B. Pirometallurgicheskoe obednenie shlakov tsvetnoi metallurgii [Pyrometallurgical depletion of slags of non-ferrous metallurgy]. Moscow: Metallurgiya, 1981, 132 p. (In Russ.).Vusikhis A.S., Dmitriev A.N., Kudinov D.Z., Leontiev L.I. The study of liquid and gas phases interaction during the reduction of metal oxides from the melts by gas reductant in bubbled layer // The Third International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies (MMT-2004), Ariel, Israel, 2004.Vusikhis A.S., Dmitriev A.N., Kudinov D.Z., Leont’ev L.I. The study of liquid and gas phases interaction during the reduction of metal oxides from the melts by gas reductant in bubbled layer. The Third International Conference on Mathematical Modeling and Computer Simulation of Materials Technologies (MMT-2004), Ariel, Israel, 2004.Шаврин С.В., Захаров И.Н., Ипатов В.В. Кинетические закономерности восстановления шлака газом // Изв. АН СССР. Металлургия и горное дело. 1964. № 3. С. 22 – 31.Shavrin S.V., Zakharov I.N., Ipatov V.V. Kinetic regularities of slag reduction with gas. Izv. AN SSSR. Metallurgiya i gornoe delo. 1964, no. 3, pp. 22–31. (In Russ.).Крашенников М.В., Леонтьев Л.И. Математическая модель процесса получения ферроникеля при продувке оксидного расплава восстановительным газом // Расплавы. 2001. № 2. С. 37 – 41.Krashennikov M.V., Leont’ev L.I. Mathematical model of the process of obtaining ferronickel at oxide melt blowing with a reducing gas. Rasplavy. 2001, no. 2, pp. 37–41. (In Russ.).Роменец В.А. Процесс жидкофазного восстановления железа: разработка и реализация // Сталь. 1990. № 8. С. 20 – 27.Romenets V.A. Process of liquid-phase reduction of iron: development and realization. Stal’. 1990, no. 8, pp. 20–27. (In Russ.).Роменец В.А., Вегман Е.Ф., Сакир Н.Ф. Процесс жидкофазного восстановления // Изв. вуз. Черная металлургия. 1993. № 7. С. 9 – 19.Romenets V.A., Vegman E.F., Sakir N.F. Process of liquid-phase reduction. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1993, no. 7, pp. 9–19. (In Russ.).Бондаренко Б.И., Шаповалов В.А., Гармаш Н.И. Теория и технология бескоксовой металлургии. – Киев: Наукова думка, 2003. – 538 с.Bondarenko B.I., Shapovalov V.A., Garmash N.I. Teoriya i tekhnologiya beskoksovoi metallurgii [Theory and technology of non-coke metallurgy]. Kiev: Naukova dumka, 2003, 538 p. (In Russ.).Роменец В.А., Вадавин В.С., Усачев А.Б. Процесс Ромелт. – М.: МИСиС, Изд. дом «Руда и Металлы», 2005. – 399 с.Romenets V.A., Vadavin V.S., Usachev A.B. Protsess Romelt [Romelt process]. Moscow: MISiS, ID Ruda i Metally, 2005, 399  p. (In Russ.).Ежов Е.И., Вернер Б.Ф., Рыжов О.А. и др. Плавка окисленной никелевой руды на ферроникель в печи с погруженным факелом: Тр. ин-та Гипроникель. – Л.: изд. ин-та Гипроникель, 1977. Вып. 3 (67). С. 30 – 35.Ezhov E.I., Verner B.F., Ryzhov O.A. etc. Melting of oxidized nickel ore to ferronickel in a furnace with a submerged torch. In: Tr. in-ta Gipronikel’ [Gipronickel Institute Proceedings]. Leningrad: izd. inta Gipronikel’, 1977, vol. 3 (67), pp. 30–35. (In Russ.).Русаков М.Р., Востриков Г.В., Пинин Л.Н., Садовникова Е.А. Новые методы обеднения конвертерных и печных шлаков с использованием газообразных и жидких восстановителей и электроэнергии: Тр. ин-та Гипроникель. – Л.: изд. ин-та Гипроникель, 1979. С. 8 – 15.Rusakov M.R., Vostrikov G.V., Pinin L.N., Sadovnikova E.A. New methods of depletion of converter and furnace slag using gaseous and liquid reducing agents and electric power. In: Tr. in-ta Gipronikel’ [Gipronickel Institute Proceedings]. Leningrad: izd. in-ta Gipronikel’, 1979, pp. 8–15. (In Russ.).Ежов Е.И., Вернер Б.Ф., Рыжов О.А. и др. Бескоксовая плавка никельсодержащего сырья в агрегатах с погруженным факелом // Цветные металлы. 1984. № 8. С. 33 – 36.Ezhov E.I., Verner B.F., Ryzhov O.A. etc. Non-coke melting of nickel-containing raw materials in submerged torch units. Tsvetnye metally. 1984, no. 8, pp. 33–36. (In Russ.).Русаков М.Р. Обеднение шлаковых расплавов продувкой восстановительными газами // Цветные металлы. 1985. № 3. С. 40 – 42.Rusakov M.R. Degradation of slag melts by purging with reducing gases. Tsvetnye metally. 1985, no. 3, pp. 40–42. (In Russ.).Ванюков А.В., Быстров В.П. Плавка в жидкой ванне. – М.: Металлургия, 1988. – 208 с.Vanyukov A.V., Bystrov V.P. Plavka v zhidkoi vanne [Melting in a liquid bath]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 208 p. (In Russ.).Автогенные процессы в цветной металлургии / В.В. Мечев, В.П. Быстров, А.В. Тарасов, А.В. Гречко, Э.Н. Мазурук. – М.: Металлургия, 1991. – 416 с.Mechev V.V., Bystrov V.P., Tarasov A.V., Grechko A.V., Mazuruk  E.N. Avtogennye protsessy v tsvetnoi metallurgii [Autogenous processes in non-ferrous metallurgy]. Moscow: Metallurgiya, 1991, 416 p. (In Russ.).Рыжов О.А., Вигдорчик E.M., Мосиондз К.И. и др. Новый процесс плавки окисленных никелевых руд в двухзонном агрегате // Цветные металлы. 1992. № 6. С. 19 – 21.Ryzhov O.A., Vigdorchik E.M., Mosiondz K.I. etc. New process for melting oxidized nickel ores in a two-zone aggregate. Tsvetnye metally. 1992, no. 6, pp. 19–21. (In Russ.).Ковган П.А., Абуов М.Г., Едильбаев А.И. Перспективные технологии переработки бедных окисленных никелевых руд // Цветные металлы. 2008. № 2. С. 43 – 45.Kovgan P.A., Abuov M.G., Edil’baev A.I. Perspective technologies for processing of poor oxidized nickel ores. Tsvetnye metally. 2008, no. 2, pp. 43–45. (In Russ.).Цымбулов Л.Б., Князев М.В., Цемехман Л.Ш. и др. Анализ различных вариантов технологической схемы переработки окис- ленных никелевых руд на ферроникель с применением двухзонной печи Ванюкова // Цветные металлы. 2010. № 10. С. 15 – 21.Tsymbulov L.B., Knyazev M.V., Tsemekhman L.Sh. etc. Analysis of various variants of technological scheme for oxidized nickel ores processing into ferronickel using a two-zone Vanyukov furnace. Tsvetnye metally. 2010, no. 10, pp. 15–21. (In Russ.).Пахомов Р.А., Старых Р.В. Особенности плавки окисленных никелевых руд в агрегате барботажного типа. I. Термодинамический анализ плавок // Металлы. 2015. № 5. С. 3 – 14.Pakhomov R.A., Starykh R.V. Features of oxidized nickel ores melting in a bubbling type unit. I. Thermodynamic analysis of melting. Metally. 2015, no. 5, pp. 3–14. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.